瓦斯涌出量預測及工作面通風系統的研究分析

閆培斌

（山西高平科興云泉煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 煤礦背景

山西高平科興云泉煤業有限公司9103綜采工作面9號煤層地理位置在太原組下部，煤層及其平均厚度分別是1.20（ZK1-1）～2.03（Y-1）m及1.45m，全區在很大程度上穩定可采，結構相對來說非常簡單，不包含夾矸，煤層傾角0～7℃。煤層頂底板分別是石灰巖或泥巖以及砂質泥巖或細粒砂巖，其局部分別是粉砂質泥巖以及粉砂巖、粉砂質泥巖或泥巖。

根據2017年9月由煤科集團沈陽研究院有限公司編制的《山西高平科興云泉煤業有限公司礦井瓦斯涌出量預測報告》中采用的地勘鉆孔方式測定瓦斯含量結果如表1所示。

2017年山西省煤炭工業廳綜合測試中心對山西高平科興云泉煤業有限公司聯合試運轉期間礦井瓦斯等級進行鑒定，結果顯示：該公司礦井絕對及相對瓦斯與二氧化碳涌出量分別是0.9m3/min及0.94m3/t與1.24m3/min及1.29m3/t。井下回采以及掘進工作面絕對瓦斯涌出量最大分別是0.32m3/min以及0.14m3/min。

表1 9號煤層檢測結果

根據晉煤瓦發〔2017〕308號文，2017年該礦開采9號煤層，其礦井瓦斯、掘進工作面瓦斯以及二氧化碳絕對涌出量分別是0.26m3/min、0.13m3/min以及0.35m3/min，以此定義其是瓦斯礦井。

2 瓦斯涌出影響因素

瓦斯涌出量在很大程度上受到自然因素以及開采條件兩方面的擾動。

2.1 自然因素

（1）大氣壓力變化

因為地面上的大氣壓力隨著地質以及氣象的不斷變化而改變，其在很大程度上也導致了煤礦井下的大氣壓力改變。由于9103綜采工作面煤層中的瓦斯是通過游離及吸附等狀態存在的，一般狀況下其將維持于一個平衡狀態，如果大氣壓力發生變化，游離態及吸附態的瓦斯之間將出現轉化，見圖1。

圖1 瓦斯在煤體中的賦存狀態

如果地面上的大氣壓強迅速降低，將導致瓦斯聚集區間的大氣壓在很大程度上超過風壓，進而使得瓦斯由吸附態向游離態轉化，其進入風流大大地擴增了工作面瓦斯涌出量。同理，如果地面大氣壓迅速升高，瓦斯從游離態轉化成吸附態，將使得工作面瓦斯涌出量縮減。

（2）地質條件

① 地質構造，一般狀況其包含開放型和封閉型兩種。其中封閉型能夠存儲瓦斯使其不易于排放，相反，開放型易于其排放。根據9103進、回風順槽掘進時實際揭露資料分析，9103回采工作面未發現構造，頂底板完好，煤層賦存情況良好，層位穩定，在很大程度上屬于封閉性。

② 煤的變質程度與其他條件一致的情況下，煤體對瓦斯氣體的吸附能力正相關于其變質程度，其大小在一定程度上決定了瓦斯含量，進而間接影響了其涌出量多少。9103綜采工作面主要包含成分是亮煤，然后是鏡煤，包含暗煤，金屬光澤。光亮型煤結構非常緊密，燃點以及耐熱強度都比較高，內生裂隙發育。其9號煤是低灰—中灰、低揮發、低硫—中高硫、中等—高固定碳、中熱值—特高熱值、特低磷之無煙煤。

③ 水文地質條件，一般情況下瓦斯可溶于水，然而溫度和壓力等條件在很大程度上影響了其溶解度。如果外界壓力固定，其溶解度隨著溫度的提升而逐步升高，同樣如果溫度固定，其溶解度隨著壓力的提升也會逐步升高。如果煤田所在位置的地下水流非常活躍，一些瓦斯溶解于水，進而大大縮減煤層瓦斯的含量。

④ 煤層圍巖性質，瓦斯在煤層圍巖中主要是經過裂隙及孔縫完成移動擴散的。若頂板巖石的空隙較大，則瓦斯不易于存儲而出現擴散。9103綜采工作面煤層頂底板分別是石灰巖或泥巖以及砂質泥巖或細粒砂巖，其局部分別是粉砂質泥巖以及粉砂巖、粉砂質泥巖或泥巖，相對來說空隙較少。

2.2 開采條件

（1）通風

通風形式、通風壓力以及通風量很大程度上影響瓦斯涌出量，運用合理的通風系統能夠非常有效地控制瓦斯涌出。

（2）采空區管理

煤礦的瓦斯涌出量很大一部分源自采空區，若采空區漏風嚴重或密閉墻質量差等，就會致使相當一部分瓦斯被排出從而使其濃度提升。

3 9103工作面瓦斯涌出量預測

依照2017年9月由煤科集團沈陽研究院有限公司編制的《山西高平科興云泉煤業有限公司礦井瓦斯涌出量預測報告》，對礦井瓦斯涌出量進行預測。

3.1 預測方法

擇取我國煤礦通常情況下運用的分源預測法，其原理是依照煤層瓦斯含量與其涌出的源匯關系，運用其涌出規律同時兼顧其賦存以及開采技術條件，經過對回采以及掘進工作面瓦斯涌出量的運算分析，進而完成對采區以及礦井的瓦斯涌出量預測。

3.2 預測條件

（1）開采9號煤層的過程中，常規運作時分別配置一個綜采、綜掘以及普掘工作面，采掘比是1:2。

（2）普掘速度為150m/月，綜掘速度為500m/月，斷面積為13.44m2，順槽長度均為750m。

（3）地勘時期測定的瓦斯含量數目偏少，數值偏小，參考價值很小，依照《礦井瓦斯涌出量預測方法》（AQ1018-2006）完成對瓦斯風化帶下部邊界值的計算，其中9號煤為貧瘦煤。見表2。

表2 邊界值瓦斯含量選取計算表

3.3 預測結果

9103回采工作面瓦斯涌出量預測結果見表3。

表3 9103回采工作面瓦斯涌出量預測結果

4 9103工作面通風量及風流路線確定

4.1 9103工作面通風量確定

（1）按氣象條件確定工作面通風量

式中：

vcf-工作面的風速，擇取為1.7m/s；

Scf-工作面有效橫截面積均值，m2；

Kch-采高調整系數，其工作面采高是1.46m，擇取為1.0；

Kcl-回采工作面長度調整系數，其工作面長度是150m，擇取為1.2；

70%-有效通風斷面系數；

60-單位折算生成的系數。

（2）依照瓦斯以及二氧化碳涌出量運算

根據《煤礦安全規程》及晉市煤局瓦字〔2011〕516號文件規定，按回采工作面回風流中瓦斯濃度不超過0.8%的要求計算：

式中：

qcg-采煤工作面回風巷風流中平均瓦斯涌出量，依照2017年瓦斯等級報告擇取為0.33m3/min；

kcg-工作面瓦斯涌出不均勻的備用風量系數，擇取為1.5；

125-依照回風流中瓦斯的濃度≤0.8%的折算系數。

依照回采工作面回風流中二氧化碳濃度≤1.5%運算，其折算系數為67，則：

（3）依照工作人員數量驗算

式中：

Ncf-工作面同時工作的人數最大值；

4-每人的需風量，m3/min。

（4）無軌膠輪車需風量計算

式中：

∑Q-掘進工作面同時運行多臺無軌膠輪車需風量，m3/min；

4-井下每臺無軌膠輪車每分鐘所需風量，4m3/min·kW；

I-掘進工作面同時運行的無軌膠輪車；

Q膠-礦用無軌膠輪車功率，26kW。

（5）按風速進行驗算

① 最小風量驗算

Scb=lcb×hcf×70%=4.615×1.46×70%=4.72m2

Qmin=60×0.25×Scb=60×0.25×4.72=71m3/min

式中：

lcb-最大控頂距，m；

Scb-有效斷面積，m2；

hcf-實際采高，m；

0.25-應許最低風速，m/s；

70%—有效通風斷面系數。

② 最大風量驗算

Scs=lcs×hcf×70%=4.015×1.46×70%=4.1m2

Qmin=60×4.0×Scs=60×4.0×4.1=984m3/min

式中：

lcs-最小控頂距，m；

Scs-有效斷面積，m2；

4.0-應許最高風速，m/s。

綜上計算，Qmin＜Q＜Qmax。

則9103綜采面需風量為540m3/min。

4.2 9103工作面風流路線確定

工作面風流：本工作面采用“一進一回”U形通風方式。

新鮮風流：主斜井→9#行人聯絡巷→9#集中膠帶巷→9#膠帶（軌道）大巷→9103運輸順槽→9103綜采工作面。

回風風流：9103綜采工作面→9103回風順槽→9103回風繞道→9#回風大巷→9#總回風巷→回風立井→地面。

5 結論

本文主要闡述了瓦斯涌出的相關概念，并且對影響瓦斯涌出的自然因素以及開采條件進行了詳細分析，采用分源預測法預測9103工作面瓦斯涌出量為0.33m3/min，同時根據工作面預測瓦斯涌出量確定9103綜采面需風量為540m3/min，為后續工作面瓦斯涌出防治研究奠定了基礎。